本發明涉及一種能提升壓電動能收集效能的功率調理電路。

背景技術：

環境能量收集技術將周圍環境中以不同物理形式存在的能量收獲、集中、并轉換為可利用的電能，為諸如可穿戴式健康檢測/監測設備(消費級)和無線傳感器網絡節點的物聯網設備(工業級)等低功耗設備供電。作為一種常用的機電換能器，壓電材料具有機械結構簡單、易于微型化以及輸出電壓大、有利于功率調理等優點，適用于微尺寸、低功耗的機械動能(例如人體運動或機械振動)收集應用。以往研究表明，能量收集電路的改進對壓電能量收集系統俘能性能的提升具有顯著作用。

壓電能量收集電路至今歷經了三代的發展，從使用通用橋式整流器，又名標準俘能(SEH：standard energy harvesting)電路；到具有里程碑意義的同步開關電感俘能(SSHI：synchronized switch harvesting on inductor)電路；再到近年提出的單電壓源預偏置(俘能)(SSPB：single source pre-biasing)電路。后面兩代的電路針對壓電原件內部電容特性，有針對性地在壓電元件形變極值處分別執行一次和兩次的電壓快速翻轉。在相同振動激勵下，同樣的壓電元件可通過使用這些電路將收集功率提升數倍之多。然而，第三代的電路必須使用一個手調直流電壓源作為兩次電壓翻轉的參考偏置電壓，這種設計不利于實際應用。

本發明采用創新的電路設計，在實現自適應調節偏置電壓源的同時增加了電壓翻轉的次數，既提升能量收集效能，又使得電壓同步多次翻轉電路更具有實際工程應用價值。

技術實現要素：

本發明的目的是：實現自適應調節偏置電壓源的同時增加電壓翻轉的次數。

為了達到上述目的，本發明的技術方案提供了一種電壓同步多次翻轉壓電動能收集電路，其特征包括串聯的電感L、負載R_L以及電壓翻轉支路，其中：

電壓翻轉支路內部自動調節產生M個偏置電壓，包括M個電子開關及用于限定輸入電壓翻轉支路的電流流向的二極管，在輸入電壓翻轉支路的電流從正到負過零點時，及在輸入電壓翻轉支路的電流從負到正過零點時，M個電子開關依次在合適的時間點閉合一段特定的時間后打開，使得壓電換能器輸出電壓同步地相對于M個偏置電壓進行多次翻轉。

優選地，所述電壓翻轉支路同時實現能量收集。

優選地，還包括獨立于所述電壓翻轉支路的能量收集支路，能量收集支路專用于能量收集，此時，所述電壓翻轉支路專用于實現電壓翻轉功能。

優選地，所述能量收集支路包括整流橋及連接在整流橋輸出端的輸出濾波電容C_r。

優選地，所述電壓翻轉支路具有與壓電換能器的輸出正極電路相通的正極端及與壓電換能器的輸出負極電路相通的負極端，所述電壓翻轉支路還包括電子開關S₁、電子開關S₂、電子開關S₃、電子開關S₄、電子開關S₅、電子開關S₆、二極管D₁、二極管D₂、二極管D₃、二極管D₄、二極管D₅、二極管D₆、儲能電容C_b，其中：

電子開關S₁與二極管D₁并聯，電子開關S₂與二極管D₂串聯，電子開關S₃與二極管D₃串聯，電子開關S₄與二極管D₄并聯，電子開關S₅與二極管D₅串聯，電子開關S₆與二極管D₆串聯，二極管D₁的陽極、二極管D₂的陽極、二極管D₃的陰極連接正極端，二極管D₄的陽極、二極管D₅的陽極、二極管D₆的陰極連接負極端，二極管D₁的陰極、二極管D₄的陰極連接儲能電容C_b的一端，儲能電容C_b的另一端連接電子開關S₂、電子開關S₃、電子開關S₅、電子開關S₆。

本發明可視為第四代的壓電俘能電路，其設計的目的有兩個：去掉第三代設計中(單電壓源預偏置能量收集電路)使用的手調電壓源，實現偏置電壓的自動調節；進一步提升電路的能量收集效能。基于對一次和兩次電壓翻轉方案的理論總結與推演，本發明提出了實現電壓同步多次翻轉的技術細則。在最大程度地平衡電路復雜度和能量收集效能兩者的前提下，實現了一個無需額外電壓源、自適應電壓同步三次翻轉的壓電動能收集電路。

附圖說明

圖1(a)為串聯型的電壓同步多次翻轉(以下簡稱為S-SMBF)壓電動能收集電路模型；

圖1(b)為并聯型的電壓同步多次翻轉(以下簡稱為P-SMBF)壓電動能收集電路模型；

圖2(a)為S-SMBF工作特性波形圖；

圖2(b)為S-SMBF電壓翻轉瞬時放大波形圖；

圖2(c)為P-SMBF工作特性波形圖；

圖2(d)為P-SMBF電壓翻轉瞬時放大波形圖；

圖3(a)為S-SMBF工作周期圖(壓電原件源兩端輸出的電壓-電荷曲線)；

圖3(b)為P-SMBF工作周期圖(壓電原件源兩端輸出的電壓-電荷曲線)；

圖4為實施例中公開的一種并聯型電壓同步三次翻轉(以下簡稱為P-S3BF)壓電動能收集電路；

圖5(b)、(d)、(f)、(h)、(j)為P-S3BF電路各工作過程及電流方向；

圖5(a)、(c)、(e)、(g)、(i)分別為圖5(b)、(d)、(f)、(h)、(j)對應的壓電輸出電壓、電流波形；

圖6(a)為P-S3BF的工作特性波形；

圖6(b)為同步電壓向上翻轉瞬時放大圖；

圖6(c)為同步電壓向下翻轉瞬時放大圖；

圖7為各類典型壓電俘能電路能量收集功率對比。

具體實施方式

為使本發明更明顯易懂，茲以優選實施例，并配合附圖作詳細說明如下。

本發明所提出的電壓同步多次翻轉(以下簡稱為SMBF)壓電動能收集電路模型，為未來的壓電振動能量收集電路提供新的設計思路。SMBF模型通過多次的同步電壓翻轉提高了機電轉換效率，同時降低了能量轉化過程中接口電路的能量損耗，從而在相同機械激勵下進一步提高壓電能量收集能力和電路的輸出功率。

本發明的串聯型SMBF模型如圖1(a)所示，并聯型SMBF模型如圖1(b)所示。如圖2(a)至圖2(d)所示，在壓電換能器輸出電流為零的瞬間，圖1(a)及圖1(b)中的開關S₊₁，S₊₂，...，V_+M依次在合適的時間點閉合一段特定的時間后打開使得壓電換能器輸出電壓同步地相對于一系列偏置電壓(V_b，1，V_b，2，...，V_b，M)進行多次翻轉動作，可以獲得更高的電壓幅值，從而進一步提高壓電源端獲取的能量。

圖3(a)及圖3(b)為利用更加直觀易懂的電路工作周期圖(橫軸為流出壓電等效電流源的電荷，縱軸為其兩端的電壓)展示壓電能量收集系統中各部分能量的走向。被外圍黑線所包圍的圖形總面積為壓電換能器所獲取的總能量，不同灰度別為電壓翻轉、整流橋(二極管)和負載(俘能等效)所消耗的能量。分步多次的電壓翻轉使得每次電壓翻轉的能量耗散進一步減少，總體上降低了轉換調理電路對所收集能量的熱耗散(中灰色部分面積)。此外，輸出電壓幅值的進一步提高(所圍面積的縱向長度)也意味著圖3(a)及圖3(b)中圖形總面積的擴大，最終負載部分(即淺灰色)面積增大，能量收集能力獲得進一步提高。

根據本發明所提出的SMBF模型，圖4展示了其中一個應用實例：P-S3BF。本發明的主要應用于低功耗微型電子設備長時間無電池供電(如各類無線傳感器)。

P-S3BF包括一個整流橋(四個二極管D_b1，D_b2，D_b3和D_b4)，輸出整流電容C_r，電感L，六路限流二極管D₁、D₂、D₃、D₄、D₅、D₆和電子開關S₁、S₂、S₃、S_S、S₅、S₆，以及提供偏置電壓的輔助儲能電容C_b。傳統電源設計中電子開關的實現有二極管、雙極型三極管(BJT)、絕緣柵型場效應管(MOSFET)和絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)等。為了減少電路系統總體的功率損耗，并考慮到壓電換能器較高的輸出電壓，可選用低電壓驅動型功率MOSFET實現各個開關功能，低功耗單片機實現開關的實時控制，二極管整流橋亦可用肖特基實現更低壓降的被動整流。在外部機械以恒定位振動激勵的條件下，壓電換能器可等效為一個電流源i_eq與內建電容C_p相并聯。電路進入穩態時，輸出特征波形有正負兩個對稱周期，具體可劃分為總共十個工作階段。

正半周期的五個工作階段分述如下：

1.開路電壓OC階段(圖5(a)、(b))：該階段始于負半周期結束后。電壓翻轉支路(Bias-flip path)和能量收集支路(harvesting branch path)被阻塞。電流源i_eq向C_p正向充電，因此壓電換能器輸出電壓v_p(C_p兩端電壓)從電位-V₃上升至V₀。

2.恒定電壓CV階段(圖5(c)、(d))：該階段二極管整流橋導通，i_eq流入能量收集支路。因為C_r遠大于C_p，v_p被鉗位至V₀。電流源i_eq在該階段的能量收入總和與負載R_L半個機械振動周期內耗散的能量相平衡。

3.第一次電壓翻轉BF1階段(圖5(e)、(f))：該階段始于i_eq從正到負過零點時。在該階段僅有開關S₁和S₆導通。此時電壓參考電平為V_b，C_p中的電荷流入到比其大得多的C_b中，直到v_p到達第一個極值V₁。電流的流向由二極管D₆所限定，因此，電流在該階段內單向流動直到該階段結束時趨于零。C_b在該階段吸收部分來自C_p的能量。

4.第二次電壓翻轉BF2階段(圖5(g)、(h))：該階段緊接著BF1階段。在該階段僅有開關S₄導通，電流方向由二極管D₁所限定，且與上一階段方向一致。C_p中的電荷流向零電位。v_p極性反轉，C_b無能量變化。

5.第三次電壓翻轉BF3階段(圖5(i)、(j))：該階段緊接著BF2階段。在該階段僅有開關S₂和S₄導通。電流的流向由二極管D₂所限定。此時電壓參考電平為-V_b，通過將一部分電荷從C_b注入到C_p中，可將v_p驅至一個更低的電壓值V₃。

經過上述正半周期的五個工作階段，接下來的負半周期亦有類似的五個工作階段。值得注意的是，在BF1階段C_b從C_p所吸收的能量與在BF3階段C_b向C_p所注入的能量相等。而在BF2階段C_b無能量變化。因此在電路進入穩定工作狀態后，C_b在每個周期的凈能量輸入為零，且能自適應地根據外界機械激勵的情況，為三次電壓翻轉提供最佳的偏置電壓。

對基于上述設計原理的P-S3BF電路原型板穩態工作特征波形的實驗測試結果與設計目標吻合，各工作階段的同步電壓翻轉達到設計要求(如圖6(a)至圖6(c)所示)。圖7對比展示了不同壓電俘能電路，在實驗測試中輸出功率(能量收集功率)隨輸出電壓變化的情況。本設計所提出的P-S3BF電路在綜合平衡電路復雜度與提升能量收集功率兩個方面下，將收集效能提升至P-SSHI電路的125％，標準橋式整流電路的387％，相對于現有的壓電俘能電路，有效地提升了收集效能，具有相當的實際意義。